FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Elektronika a Mikroelektronika A4B34EM

5. přednáška

• Unipolární tranzistory

• JFET

• MESFET

• MOSFET

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Tranzistory – základní rozdělení

Unipolární tranzistory

MESFET JFET MOSFET

Za

bu

do

va

ný

kanál

In

du

ko

va

ný

kanál

Ob

oh

aco

va

ný

kanál

Och

uzo

va

ný

kanál

kanál N

kanál P

NM

OS

PM

OS

NM

OS

PM

OS N P N P

kanál P

N P N P

MOSFET - metal oxide field effect transistor semiconductor MESFET – Metal semiconductor field effect transistor JFET – junction field effect transistor

Unipolární tranzistory Obecné vlastnosti

Napětí na řídící elektrodě (gate) ovládá proud mezi elektrodami drain (D) a source (S)

U všech typů je mezi elektrodami D-S tenký vodivý kanál typu n nebo p, jehož vodivost se ovládá elektrickým napětím přiloženým na řídící elektrodu G

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

FET ( Field Effect Transistor)

1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry)

2. Součástka řízená napětím (napětí na řídícím hradle ovládá proud mezi D-S)

3. Velmi vysoká vstupní impedance ( 109-1014 )

4. Source a Drain je zaměnitelný

5. Možnost funkce v tzv. Low Voltage Low Current módu 6. Menší šum ve srovnání s BJT 7. Žádná akumulace minoritních nosičů (Rychlé vypínání) 8. Velice malé rozměry, výhodné v integrovaných obvodech

Výhody unipolárních tranzistorů:


Tranzistor JFET

U tranzistorů JFET je řídící elektroda z polovodiče opačné vodivosti než kanál

Od kanálu není elektricky oddělena a tvoří P-N přechod.

Tento přechod je polarizován závěrně.

Napětím na hradle se moduluje OPN (oblast prostorového náboje), čímž se řídí tloušťka kanálu a tudíž i jeho vodivost


P P +

-

+

-

+

-

N

N

Základní princip modulace kanálu JFETu

Gate

Drain

Source

OPN

Reálná struktura JFETu

Průřez tranzistory JFET


Princip činnosti

Při malém napětí UDS


OPN

Princip činnosti

Při nulovém napětí na hradle


OPN

Výstupní charakteristiky JFETus kanálem N.

Odporová oblast (režim):

Proud drainem je dán:

2

2 2

2

DSDSPGS

P

DSSDS

UUUU

U

II

2

1

P

GSDSSDS

U

UII

Kde IDSS proud drainem při UG = 0, VP prahové napětí

Výstupní charakteristiky a režimy JFET

Oblast saturace:

PGSDS UUU

PGSDS UUU


Převodní charakteristika

JFET s kanálem N pro UDS = 10V


Mezní parametry JFETu

Průrazné napětí UDS

maximální ztrátový výkon PDmax

Maximální proud IG


Základní zapojení JFET

Zdroj proudu


Zdroj proudu IDSS

Zdroj proudu ID<IDSS

Základní zapojení JFET

Nastavení pracovního bodu ve třídě A


JFET jako zesilovač malého signálu

Zesilovač se společným sourcem:


Náhradní lineární obvod

Náhradní lineární obvod zesilovače

Tranzistor MESFET

PN přechod G-S tvoří Schottkyho dioda

Typicky se vyrábějí na GaAs

Využití v vf zesilovačích, přepínačích, atd.


Tranzistor MOSFET

Tranzistor řízený elektrickým polem

Struktura Kov (Metal M) – oxid (Oxide O) – polovodič (Semiconductor S)

Kov je dnes většinou nahrazen PolySi, oxid tvoří SiO2

Velký vstupní odpor řídící elektrody, až 1014

Tranzistor může být velmi malý ~ 32 nm

Obrovská hustota integrace ~ 1 000 000 000 na čip

Malý odběr ve statickém režimu

Existuje-li vodivý kanál při UGS = 0, jedná se o MOSFET se zbudovaným kanálem

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Struktura tranzistoru NMOS

N+ N+

S D

L

G

Oxid SiO2

PolySi Gate

Difúzní oblast

drainu

Difúzní oblast source

Substrát P

Kanál N

Indukovaný Zabudovaný


Struktura tranzistoru PMOS

P+ P+

S D

L

G

Oxid SiO2

PolySi Gate

Difúzní oblast drainu

Difúzní oblast source

Substrát N

Kanál P

Indukovaný Zabudovaný


MOS před spojením jednotlivých částí

oxid

dox

P NA

Evac

eUB

Ec

EFs Ev

es

es

Ei

KOV

EFm

em

Pásová struktura:


MOS struktura bez napětí

dox

Kov oxid p NA

+ + +

- - -

xd

QG QD

eUs Evac

eUB

Ec

EFs Ev

es

es

Ei EFm

em

eUbi eUox

Ubi=s- m

pp

np

pp0

npo

ppnp=ni2

x


Vznik inverzní vrstvy – vodivého kanálu

N+ N+

S D

VG

Substrát N

h h h h h h

h

OPN

Díry


MOS struktura + malé napětí na gate UGS < UT

eUB

e(Ubi+UG)

Kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd

QG

QD

+ +

- - +VG

Evac

Ec

EFs Ev

es

es

Ei

EFm

em

eUox

eUs

Ubi=s- m

eUG

USUB

Ochuzená oblast

pp

np

pp0

npo

x


MOS struktura - malé napětí na gate UGS < UT + vznik inverzní vrstvy

pp

np

pp0

npo

UB<Us<2UB

Inverzní vrstva

kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd

QG

QD

+ +

- - +VG

- +

Evac

eUB

Ec

EFs

Ev

es

es

Ei

EFm

em

e(Ubi+UG) eVox

eUs

Ubi=s- m

eUG


MOS struktura – inverzí vodivost napětí a náboje

kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd QG QD

+ +

- -

+UG UB<Us<2UB

- +

x

V

x

-E

x

Q QG

QD


MOS struktura – hluboká inverze

Us>2UB

Evac

eUB

Ec

EFs

Ev

es

es

Ei

EFm

em

e(Ubi+UG)

eUox

eUs

eUG

dox xd

QD

QG

kov oxid p +

+ +

- - - + +

- - +UG

- + +

+

pp

np

pp0

npo

Qi -

-

Volný náboj


MOS struktura – hluboká inverze napětí a náboje

x

U

x

-E

x

Q

QG

QD

Qi

- - kov oxid p

dox

+ + +

-

xd QG QD

+ +

- - +UG

- + - -

Qi

+

+

vodivý kanál


N+ N+

S D

e e e e e e

UG

Vznik inversní vrstvy – vodivého kanálu

e

OPN

elektrony

vodivý kanál

UGS > UT


S nenulovým napětím UDS

N+ N+

S D

e e e e e e

L

UDS

G

UGS

UGS > UT


e

L

Lef

N+ N+

S G

D Poly Si Oxid


Kolektorový proud (Drain Current):

Lineární oblast ID

UDS

UGS1

UGS2

UGS3

UG

S1 - U

t

UG

S2 - U

t

UG

S3 - U

t

N+ N+

S D

e e e e e e

0 x L

UDS G

UGS

2

2

DSDStGSoxnD

UUUU

L

WCI

Lineární oblast: (UGS > Ut, UDS < UGS - Ut) (Triode region)



Saturační oblast ID

UDS

UGS1

UGS2

UGS3

UG

S1 - U

t

UG

S2 - U

t

UG

S3 - U

t

N+ N+

S D

e e e e e

0 x L

VDS

G

VGS

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut) (Active region)

p

n n+ drain

2tGSoxnD UUL

WCI

Zaškrcení kanálu



Proud Id s modulací délky kanálu - Drain current (with channel

length modulation):

Transkonduktance (Transconductance):

2tGSoxnD UUL

WCI

DStGSoxnD UUUL

WCI

1

2

tGS

DDoxntGSoxnm

UU

II

L

WCUU

L

WCg

22

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)


Parametr modulace délky kanálu (Channel length modulation

parameter):

Výstupní odpor (Output resistivity):

Substrátová transkonduktance (Body (bulk) transconductance):

LLL DSVL

L

D

OI

r

1

fSB

ms

V

gg

22

m

s

g

g(typicky 0.10.3)



Mezní frekvence (Transition frequency):

Model pro malé signály v aktivní oblasti (Small-signal model in

active region)

)(2 GSGDGS

mT

CCC

gf



N+ N+

P- substrát

Inverzní

vrstva Ochuzená

vrstva

CDB

CG CGD CGS

CSB

CS

dx

CSB

G

S

D

CGD CDB

CGS CGB

CG - kapacita oxidu mezi hradlem a kanálem

oxG WLCC

CS – kapacita vyprázdněné vrtvy mezi kanálem a substrátem

)4/(0 fArS NqWLC

CGS,GD – kapacita přesahu hradla do oblasti kolektoru a emitoru CDB,SB – kapacita prechodu mezi oblastí kolektoru (emitoru) a substrátem. Většinou se rozděluje na kapacitu spodni strany Cj a boční kapacitu Cjsw (velikost se udává na jednotku plochy, délky).

mBR

j

jV

CC

/1

0 jswxjxSBDB CdWCWdCC )(2

Kapacity MOS tranzistoru (MOS Device Capacitances)


MOS vypnutý

WCCC ovGSGD

2

2

CWLC

CWLCC

ox

ox

GB

MOS v lineární oblasti a VDS << 2 (VGS – Vt0)

ovoxGSGD WCWLCCC 2/

MOS v saturaci

ovoxeffGS WCCWLC 3

2

q = 1.602e-19 C k = 1.38e-23 JK-1

ni = 1.1e16 nosičů/m3 at

T=300° K

0 = 8.854e-12 F/m

Oxid r = 3.9 Křemík r = 11.8

Důležité konstanty

Kapacity tranzistoru MOS (MOS Device Capacitances)


C-V charakteristika MOSFETu

Cox

V UT UFB 0

C=dQG/dU Cox

Nízké f

vysoké f

meta

l + - + -

+ -

akumulace náboje

Cox

meta

l +

- +

ochuzená vrstva

Cox

-

xd

CD

meta

l + - +

- + -

hluboká inverze

Cox

-

+

xd

CD

Jiří Jakovenko – Struktury Integrovaných Systémů - A2M34SIS

Struktura CMOS

N+ Source N+ Drain P+ Source P+ Drain

BPSG W Kontakt

Metal1

IMD1 W Via

Metal2

Pasivace Kontaktní Pad

Poly Gate Silicid Spacer

Epitaxní vrstva P-

Křemíkový Substrát P+

P- Jáma N

- Jáma

Complementrary MOS

Indukovaný a zabudovaný kanál NMOS

s


Indukovaný a zabudovaný kanál PMOS

s


Mezní parametry MOSFETu

Průrazné napětí UDS

maximální ztrátový výkon PDmax

Maximální proud ID


FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Documents